Talasna dužina

simbol λ (grčki: lambda), je najmanja udaljenost dviju tačaka iste faze pokreta jednog talasa. Pri tome dvije tačke su u fazi kada se na isti način u vremenskom razmaku pokrivaju i njihova amplituda ima isti smjer pokreta. Kod vodenih talasa, talasna dužina odgovara razmaku između dva brijega ili dviju dolina. Talasna dužina je prostorno analogna periodnoj dužini.

Zato vrijedi:

pri čemu je c brzina prostiranja ili brzina faze i f frekvencija talasa. Brzina prostiranja ima veliku važnost u uslovnosti talasne dužine i frekvencije.

Talasna dužina vidljivog svjetla

Ljudsko oko reagira na svjetlost talasne dužina između 711 nm (crvena boja) i 389 nm (ljubičasta boja). Pčele vide na primjer i ultraljubičasto zračenje kraćih talasnih dužina, ali ne mogu vidjeti crveno svjetlo.

Talasna dužina elektromagnetnih talasa u nevakuumskim medijima

Brzina svjetlosti je u većini medija niža nego u vakuumu,što znači da ista frekvencija odgovara kraćoj talasnoj dužini u nekom mediju u odnosu na vakuum:

kada svjetlosni ili neki drugi elektromagnetni talasi prelaze iz jednog medija u drugi za koje je indeks prelamanja poznat, njihova talasna dužina se smanji ovisno o indeksu prelamanja ali se frekvencija ne mijenja.

Talasna dužina u tijelima iznosi pri čemu je λ₀ talasna dužina u vakuumu.

Talasne dužine elektromagnetnih talasa se uzimaju kao dužine u vakuumu bez posebne oznake.

Ultrazvuk i talasna dužina

Ultrazvuk je zvuk čija je frekvencija iznad gornje granice čujnosti za normalno ljudsko uho, a koja iznosi 20 kHz (20000 herca).

Neke životinje (npr. psi, dupini, šišmiši, miševi, …) mogu čuti ultrazvuk jer imaju višu gornju graničnu frekvenciju od čovjeka. Mlađe osobe, a posebno djeca, mogu čuti neke zvukove visokih frekvencija. Što je čovjek stariji, gornja granica čujnosti mu pada, što znači da sve slabije čuje zvukove visokih frekvencija. Visoke zvučne frekvencije sastavni su dio spektra frekvencija koje proizvodi neki izvor zvuka, a spektar zvučnih frekvencija čini boju zvuka. Opadanjem čujnosti visokih frekvencija starenjem, starijim ljudima se mijenjaju i boje zvuka, što znači da simfonijski orkestar ili zvuk violine drugačije čuje dijete od šest, odrastao čovjek od 30 ili starac od 80 godina.

Najpoznatija primjena ultrazvuka je u medicini – ultrazvučna dijagnostika (npr. Transkranijalni dopler), no koristi se i u mnoge druge svrhe (otkrivanje jata riba i podmornica, tzv. sonar). Princip korištenja je vrlo jednostavan: odašilje se ultrazvučni val, koji se odbija od prepreke te se prema vremenu potrebnom da se val vrati određuje udaljenost i oblik objekta.

Načini proizvodnje ultrazvuka

Elektrostrikcija

Najrasprostranjeniji generator ultrazvuka je kvarcni generator, čiji je rad zasnovan na tzv. piezoelektričnom efektu. To je pojava kada se na nekim kristalima (kvarc, turmalin i dr.), pogodno odrezanima, javlja električna polarizacija kada se silom izvrši elastična deformacija. Umjesto da se djeluje silom, može se postići obrnut efekt – elektrostrikcija – stavljanjem pločica u izmjenično električno polje vrlo visoke frekvencije. Kada se frekvencija izmjeničnog napona poklopi sa svojstvenom (vlastitom) frekvencijom kvarcne pločice, nastupa rezonancija. Uslijed rezonancije, pločica jako titra i proizvodi ultrazvučne valove znatne amplitude. Upotrebom turmalina mogu se dobiti ultrazvučne asilacije i do nekoliko stotina MHz.

Magnetostrikcija

Ova metoda dobijanja ultrazvuka zasnovana je na svojstvu nekih materijala da djelovanjem magnetnog polja mijenjaju dimenzije (željezo, kobalt, nikal itd.). Ovi se materijali u jačem magnetnom polju uglavnom skraćuju, te je ova pojava nazvana magnetostrikcijom (strictura – stezanje, sužavanje). Ako se kratak štap od ovih materijala nalazi u promjenjivom magnetnom polju, onda se dovodi u rezonantno logitudinalno titranje, kad se kroz elektromagnet propušta izmjenična struja odgovarajuće frekvencije.

Dejstvo ultrazvuka i UZ-talasa

Dejstva ultrazvuka su različita kod dijagnostičke i terapijske primjene zbog razlike u intenzitetu primjenjenog ultrazvuka. Osim željenih dejstava postoje i neželjena dejstva naročito kod terapijske primjene, dok su kod dijagnostičke primjene manja ali ipak prisutna. Zato treba kritički koristiti ultrazvučne talase u dijagnostici i terapiji. Sva neželjena dejstva ultrazvučnih talasa zavise od jačine tih talasa i vremena izlaganja tkiva, te u dijagnostici treba koristiti manju jačinu i pregled treba da traje što je moguće kraće. Sve nuspojave su uglavnom opisane kod eksperimentalnih životinja, a za dejstvo na ljudski organizam uglavnom nema podataka koji bi bili alarmantni. Terapijski ultrazvuk treba primjenjivati kod određenih indikacija, ali je kontraindicirana njegova primjena u trudnoći a treba izbjegavati primjenu u predijelu polnih organa. Primjena ultrazvučnih talasa u dijagnostici je metoda sa najmanje štetnih efekata po tkiva. Ultrazvuk je zvuk čija je frekvenca iznad granice čujnosti za ljudsko uho, odnosno preko 20 KHz-a. U medicini se najčešće koriste frekvence između 3 i 10 Mhz-a. Osnovni parametri ultrazvuka su talasna dužina, frekvencija, brzina prostiranja i intenzitet (jačina) talasa. Kroz ljudsko tkivo talasi ultrazvuka se prostiru uz prelamanje, odbijanje, rasijavanje i apsorpciju. Oni se prelamaju ili odbijaju na prelazu iz jedne akustične sredine u drugu. Uglovi odbijanja ili prelamanja zavise od akustičnih osobina sredina (tkiva). Ne prelamaju se samo talasi koji na granicu između dviju sredina padaju pod pravim uglom. Uređaji koji se u medicini koriste u dijagnostičke svrhe registruju samo odbijene talase, i to one koji su pali pod pravim uglom, a ne mogu da registruju talase koji su pali pod nekim drugim uglom jer se oni ili prelamaju ili odbijaju u drugom pravcu, a ne u pravcu sonde. Razlike u akustičnim osobinama tkiva su relativno male ali ipak dovoljne da se vide razlike. Ultrazvučni talasi se dva do četiri puta više odbijaju od kostiju nego od mehkog tkiva. Zbog toga se vidi samo površni dio kosti a ne i unutrašnja struktura. Gasovi takođe ometaju prostiranje ultrazvučnih talasa te se sonde moraju direktno nasloniti na tkivo, obično uz korišćenje želea. Apsorpcija ultrazvučnih talasa zavisi od osobina tkiva (kosti više apsorbuju ultrazvučne talase) i od frekvence talasa. Talasi sa većom frekvencijom se više apsorbuju. Iako se ultrazvuk dosta dugo koristi, iako postoji dosta radova o njegovim dejstvima i efektima kod nas nisu dovoljno poznati svi elementi. Osnovna dejstva ultrazvučnih talasa se klasifikuju kao fizička, hemijska i biološka.

Fizička dejstva ultrazvuka su stvaranje toplote u tkivu i kavitacija (stvaranje mjehurića). Toplota se stvara uglavnom kod primjene terapijskih doza, ali je moguće i kod dijagnostičke primjene. Opisano je da se kod dijagnostičkih procedura posebno kod ehokardiografije može povećati temperatura lokalnih tkiva. Pritom nema bitnijeg povećanja temperature srca, pluća i mehkih tkiva ali se lokalna temperatura rebara može povećati za 60C. Pod dejstvom ultrazvučnih talasa određene jačine dolazi do stvaranja mjehurića u tkivima i tečnostima, što je poznato kao kavitacija. Ako se ovi mjehurići ne mogu širiti dolazi do povećanja pritiska i prskanja ćelija i tkiva. Ovim dejstvom se objašnjavaju fenomeni krvarenja koji se mogu javiti kod terapijske primjene, ali i kod dijagnostičkih (najčešće ehokardioloških) procedura, najčešće iz pluća ili jednjaka. Iako je u jednom radu opisano 50 ovakvih slučajeva (6 kod žena, a 44 kod muškaraca, prosečne starosti 61 godina) ova pojava nije česta, a ljudska pluća su izgleda otpornija na ultrazvučne talase nego pluća eksperimentalnih laboratorijskih životinja.

Najznačajnije hemijsko dejstvo ultrazvučnih talasa je depolarizacija velikih molekula, naročito molekula bjelančevina i nešto manje DNK.

Biološka dejstva ultrazvuka su najznačajnija. Dokazano je odavno (još 1927) i potvrđeno i kasnije da ultrazvuk ubija određene laboratorijske životinje ili izaziva nekrozu u tkivima. Wood i Loomis su objavili 1927 da određena jačina ultrazvuka ubija žabe i zmije za 1 minut. Objavljeni su i radovi o nekrozi tkiva bubrega kod zeca, hemolizi eritrocita in vitro (doza 2W/cm2, frekvenca 1 MHz) i drugi radovi. Isto tako ultrazvuk u dozi od 10 W/cm2 ubija larve Drosophilae.

Teratogena dejstva ultrazvuka su objavili Takabayashi i saradnici 1981, Rott 1984, i drugi, ali postoje i autori koji ta dejstva nisu potvrdili (Child SZ i saradnici). Iako postoje određena neslaganja o teratogenim efektima ultrazvuka neophodna je određena opreznost. Postoje brojni radovi koji dokazuju mutagena dejstva, ali i radovi koji to negiraju. Stella M i saradnici su objavili (1984.) da postoje promjene na hromosomima ljudskih limfocita koji su bili izloženi dejstvu terapijskog ultrazvuka jačine 1 W/cm2 , O,86 MHz u trajanju od 40-160 sekundi. Ciaravino i saradnici (1986) ne potvrđuje nalaze koje su objavili Stella i saradnici. Objavljeni su i brojni radovi sa insektima, kulturama tkiva i drugi. Dejstva ultrazvuka na tkiva se koriste u medicini u različite svrhe, na primjer koristi se za sječenje tkiva (ultrazvučni skalpel) naročito u laparoskopskoj hirurgiji. Objavljeno je da se ultrazvuk uspješno koristi za ubrzavanje zarastanja preloma kostiju i za oporavak oštećenih mišićnih vlakana. Objavljeni su radovi o primjeni ultrazvuka kao metoda muške kontracepcije. Fahim MS i saradnici su ispitivali dejstvo ultrazvuka od 1 W/cm2 na mužjacima mačaka, pasa, majmuna Cebus apella i 4 čovjeka u trajanju od 10 minuta, samo jednom ili dva ili tri puta, a jednu grupu pasa su tretirali snagom od 2 W/cm2 u trajanju od 15 minuta. Kod svih je uočeno bitno smanjenje spermatogeneze bez uticaja na nivo testosterona u krvi. Izlaganje pacova ultrazvuku sa 1 W/cm2 u trajanju od 10 minuta dovelo je do prekida procesa spermatogeneze i bili su nesposobni da oplode ženke u trajanju od 150 dana.  Carnes KI i saradnici su ispitivali dejstvo ultrazvuka od 1 MHz, jačine 1 do 10 W/cm2 u trajanju od 20 do 200 sekundi na mišicama devetog, dvanaestog i petnaestog dana trudnoće. Rezultati su pokazali povećani broj mrtvorođenih, povećanu smrtnost posle rođenja, smanjenje veličine posteljice, što je dovelo do značajnog gubitka mladunaca kod većih doza. Težina mladunaca po rođenju je iz svih grupa bila značajno smanjena u odnosu na kontrolnu grupu. Rezultati su takođe pokazali da su mužjaci izloženi ultrazvuku in utero kasnije imali manje testise i smanjenu produkciju sperme u rasponu od 9% do 30%. Zaključak je da izlaganje ploda ultrazvuku in utero može da poremeti razvoj fetusa i da ima efekte na plodnost odraslog mužjaka. In vitro je dokazano dejstvo ultrazvuka na membranu ćelija što je kasnije dovodilo do oštećenja embriogeneze i poremećaja prenatalnog i postnatalnog razvoja, ali nije potvrđena veza između ultrazvučnih pregleda u trudnoći i leukemija kod djece. Nije potvrđena veza između dijagnostičkog ultrazvuka u trudnoći i problema u kasnijem razvoju. Terapijske doze ultrazvuka izazivaju određene probleme u razvoju te je terapijska primjena ultrazvuka u trudnoći kontraindicirana.

Primjena u medicini

U medicini se ultrazvučni talasi koriste u dijagnostičke i terapijske svrhe. Jačina talasa koju koriste dijagnostički aparati je manja od terapijskih. Kod terapijskih jačina dobijaju se povoljni efekti ultrazvučnih talasa (stvaranje toplote, dejstvo na oporavak mišića i kosti i druga dejstva), ali postoje i neželjena dejstva o kojima treba voditi računa. Ta neželjena dejstva su kod dijagnostičke primjene manja ali ipak prisutna. Zato treba kritički koristiti ultrazvučne talase u dijagnostici i terapiji. Posebno treba napomenuti da sva dejstva ultrazvučnih talasa zavise od jačine tih talasa i vremena izlaganja tkiva, te u dijagnostici treba koristiti manju jačinu i pregled treba da traje što je moguće kraće. Sve nuspojave su uglavnom opisane kod eksperimentalnih životinja, a za dejstvo na ljudski organizam uglavnom nema podataka koji bi bili alarmantni. Iako postoje izvjesna ograničenja primjena ultrazvučnih talasa u dijagnostici je metoda sa najmanje štetnih efekata po tkiva. Terapijski ultrazvuk treba primjenjivati kod određenih indikacija, ali je kontraindicirana njegova primjena u trudnoći a treba izbjegavati primjenu u predijelu polnih organa.

Primjena UZ:

• Kardiologiji
• Gastroenterologiji
• Urologiji
• Endokrinologiji
• Ginekologiji
• Onkologiji
• Reumatologiji
• Ortopediji, itd.